Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологические особенности фитомелиорации в степных регионах (обзор литературы) 14
1.1. Мелиоративная роль травостоя и его органических остатков 15
1.2. Особенности воздействия лесных полос на скорость ветра и другие агроэкологические условия 16
1.2.1. Воздействие контурной организации территории с лесными полосами на некоторые агроэколо гические условия 20
1.3. Особенности работы современной наклонно-прямоугольной организации территории на сток и смыв 23
1.4. Экологические особенности водного режима почво-грунтов, залегания грунтовых вод под разными фонами и миграция подвижных форм питательных веществ (краткая история и современные представления) 25
1.5. Конденсация паров воды в почве 35
1.6. Интегральное воздействие фитомелиораций и неблагоприятных условий 41
1.7. Выводы 46
Глава 2. Программа, задачи, объекты и методы исследований 49
2.1. Основные направления, задачи и объекты исследований 49
2.1.1. Место и объекты исследований 53
2.2. Методы исследований 61
2.2.1. Оценка микроклимата при лесомелиорации песчаных земель и контурной организации территории, выдувания во время пыльных бурь 61
2.2.2. Определение удельной поверхности насаждения 62
2.2.3. Методика противоэрозионного устройства
сложившейся территории 68
2.2.4. Оценка водного режима почвогрунтов 71
2.2.5. Методика изучения явления конденсации водяных паров воздуха в почве 74
2.2.6. Оценка содержания и миграции подвижных форм№К 77
2.2.7. Оценка интегральных свойств и природоохранной роли фитомелиораций 78
2.3. Выводы 79
Глава 3. Природно-климатические особенности и погодные условия за годы проведения исследований. характеристика пыльных буры969г 80
3.1. Краткая характеристика зон исследований 80
3.2. Погодные условия за годы проведения исследований 86
3.2.1. Общая метеорологическая характеристика предшествующего периода и периода прохождения пыльных бурь 1969 г 86
3.2.1.1. Снежный покров и вымерзание посевов 88
3.2.2. Характеристика погодных условий во время глубинной
влагометрии 89
3.3. Выводы 90
Глава 4. Особенности воздействия фитомелиораций на песчаные земли ногайской степи 93
4.1. Влияние полезащитных лесных полос на скорость ветра 93
4.2. Влияние лесных полос на дефляцию 96
4.3. Влияние лесных полос на снегораспределение 99
4.4. Влияние лесных полос на влажность воздуха и испарение с открытой водной поверхности 100
4.5. Влияние лесных полос, мульчирования на температуру почвы 103
4.7. Выводы 107
Глава 5. Эффективность сети лесных полос против пыльных бурь 108
5.1. Выводы 116
Глава 6. Воздействие контурной организации территории с лесными полосами на агроэкологические условия (при совместном действии ветровой и водной эрозии в зоне недостаточного увлажнения) 117
6.1. Влияние на смыв почвы 117
6.2. Скорость ветра и дефляция в контурных межлесополосных пространствах 122
6.3. Снегораспределение и температура почвы между контурными лесными полосами 123
6.4. Влияние контурных лесных полос на урожай сельскохозяйственных культур 125
6.5. Размещение постоянных агролесомелиоративных рубежей в условиях совместной ветровой и водной эрозии почв 126
6.6. Выводы 128
Глава 7. Линейная эрозия и способы ее ликвидации 129
7.1. Защита ложбин от размыва 140
7.2. Выводы 141
Глава 8. Особенности режима влажности под древесными и разно продуктивными травянистыми ценозами в основных зонах степи 143
8.1. На песчаных землях крайне засушливой зоны 143
8.2. Агроэкологические особенности режима влажности
почвогрунтов сельскохозяйственных угодий на тяжелых почвах засушливой зоны 149
8.2.1. Динамика увлажнения 0-2-м слоя почвогрунта 149
8.2.2. Особенности увлажнения 0-6-м слоя почвогрунта 151
8.2.3. Особенности увлажнения на глубину до 23 м 153
8.2.3.1. Особенности динамики влаги под лесной полосой 157
8.2.3.2. Воздействие сосущего потенциала люцерны на запасы влаги 158
8.2.3.3. Структура распределения влаги, ее равновесное состоние 159
8.3. Воздействие травянистых ценозов, контурной организации территории, лесных полос на режим влажности почвогрун тов и грунтовые воды в зоне недостаточного увлажне ния 161
8.4. Выводы 169
Глава 9. Конденсация в почве транспирационного и адвективного паров воды 172
9.1. Оценка возможности конденсации по температуре точки росы и почвы 172
9.2. Оценка величины конденсации с помощью лизиметров 176
9.3. Оценка возможной величины конденсации по полевому транспирационному коэффициенту 179
9.4. Конденсация адвективного пара, установленная термостатно-весовым методом 180
9.5. Выводы 181
Глава 10. Интегральные показатели и эффект фитомелиораций 182
10.1. Интегральные показатели 182
10.2. Миграция подвижных форм питательных веществ в почвеШ
10.2.1. Миграция в условиях зоны неустойчивого увлажнения 183
10.2.2. Миграция в засушливой зоне 185
10.3. О целесообразности возделывания сидеральных культур во всех зонах 190
10.4. Фундаментальная и прикладная роль явле; иия конденсации
транспирационного и адвективного паров воды в почве.. 192
10.5. Особенности агроландшафта 194
10.6. Особенности природоохранной роли фитомелиораций 201
10.7. Экономический эффект лесомелиорации 206
10.8. Выводы 207
Выводы и предложения производству 210
Выводы 210
Предложения производству 220
Литература
- Особенности воздействия лесных полос на скорость ветра и другие агроэкологические условия
- Оценка микроклимата при лесомелиорации песчаных земель и контурной организации территории, выдувания во время пыльных бурь
- Погодные условия за годы проведения исследований
- Влияние лесных полос на снегораспределение
Введение к работе
Актуальность проблемы. Внушает некоторый оптимизм то, что в стране появилась национальная и федеральная целевая программа «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы» [1]. Основными экологическими ресурсами планеты, особенно необходимыми человеку, являются земля, вода, солнечная энергия и воздух. Специфика важнейшего ресурса - педосферы - резервность, долгосрочность "складированного" плодородия, то, что определяет главную ценность и незаменимость почвы как природного ресурса для человечества. Она обладает глобальными регулирующими функциями: атмосферными, гидросферными, литосферными, биосферными, антропосферными [2, 3] - позволяющими, прежде всего, с помощью фитомелиораций перейти к адаптивному устойчивому земледелию.
"Если В.В. Докучаев об эрозии упоминал как о явлении положительном, способствующем сглаживанию микрорельефа, то за это время она превратилась в бич сельского хозяйства", - пишет СВ. Зонн [4]. Масштабы современной эрозии катастрофичны. Внушительны цифры, опубликованные ФАО, согласно которым жители планеты уже утратили 2 млрд. га сельскохозяйственных угодий. Сейчас в мире распахано и используется около 1,5 млрд. га земель, то есть утрачено больше, чем сейчас имеется. К концу XX века прогнозировалась потеря еще 1 млрд. га земель [2]. В России опустыниванием затронуто 100 млн. га сельскохозяйственных угодий [5]. По зарубежным источникам [6] ежегодно 21 млн. га сельскохозяйственных земель разрушается в результате опустынивания до полной потери продуктивности. Значительная часть этих земель приходится на орошаемые [7]. Особенно велики потери земель во время так называемой научно-технической революции [8J. Произошло чудовищное усиление процесса разрушения почв в по-
следние десятилетия. Причинами опустынивания планеты являются: перевыпас, интенсивное земледелие, несовершенная ирригация. Ведущие экологи планеты называют деградацию и разрушение почв "тихой смертью планеты" (цит. по Г.В. Добровольскому [9]. Но, судя по разному роду катаклизмов, она не будет тихой.
В РФ при площади пашни 132,1 млн. га подвержено водной и ветровой эрозии 82 млн. га или 64%. Ежегодно площадь эродированных земель возрастает на 0,4-0,5 млн. га [10].
Весьма значимым для борьбы с засухой, дефляцией и эрозией почв было Постановление в разрушенной войной стране 1948 г. "О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах европейской части СССР", благодаря которому до 1953 г. было заложено более 2 млн. га защитных лесных насаждений (ЗЛН). Всего за 50 лет было создано 3,2 млн. га. Наукой показано, что ЗЛН являются основой в агроландшафтной организации территории, адаптивного земледелия, обоснована концепция "рубежного" земледелия в целях защиты почв от водной эрозии и особой роли контурных лесных полос в сочетании с гидротехническими средствами. Об этом было отмечено на Всероссийской научно-практической конференции "Защитное лесоразведение и мелиорация земель в степных и лесостепных районах России (Итоги и опыт за 50 лет, задачи на ближайшую перспективу)" в выступлениях А.Н. Каштанова, В.И. Петрова, К.Н. Кулика и др. [11].
Сейчас, судя по Ставропольскому краю, количество ЗЛН катастрофически сокращается (было 140, на 01.01.01 г. стало около 100 тыс. га). Их сжигают, вырубают и т.д. и т. п., нарушая экологическую безопасность региона, страны, планеты.
95 процентам территории Ставропольского края угрожает ветровая эрозия, 82% - водная и 77% поражены совместной водной и ветровой эрозией [12] (см. также ниже рисунок 12). По данным Комитета по земельным ресур-
сам и землеустройству Ставропольского края, на 01.01.2000 г. площадь пашни с низкой обеспеченностью гумусом превышает 92% [13].
Известно, что первым шагом при сельскохозяйственном освоении земель должна быть лесомелиорация.
В частности, на начало исследований недостаточно были изучены особенности воздействия на микроклимат и дефляцию системы лесных полос основных конструкций на песчаных землях при разном облиствении деревьев.
Для условий совместного проявления водной и ветровой эрозии не разработаны принципы контурной организации территории с лесными полосами - следующая особенность исследований.
Но территория региона уже организована, преимущественно, полезащитными лесными полосами, дорогами и другими рубежами. В условиях совместной водной и ветровой эрозии почв эти рубежи формируют мощные искусственные водосборы, сток с которых вызывает струйчатую, линейную эрозию на пашне. Поэтому целесообразно доустраивать территорию от этой эрозии существующими защитными насаждениями и простейшими (проти-воэрозионными) гидротехническими сооружениями, не меняя сразу и срочно сложившуюся организацию территории по экологическим и экономическим причинам. Это - другая особенность работы.
Особенности режима влажности почвогрунтов в степных зонах в связи с фитомелиорацией изучены недостаточно, в частности:
возможная значимость конденсации транспирационного и адвективного паров воды в почве гипотетична. Явление не изучено в связи с влиянием травостоя и адвекцией воздушных масс в регионе;
обмен влагой между почвогрунтами поля и лесными полосами не изучено.
По мнению большинства авторов, в степи преобладает непромывной тип водного режима, что спорно.
Итак, работа актуальна в связи с отражением следующих вопросов:
сохранение земельных и водных ресурсов;
создание экологически управляемого ландшафта (в эрозионном отношении и, отчасти, водных ресурсов);
установление особенностей лесомелиорации и режима влажности почвогрунтов и, особенно, значимости конденсации, прежде всего, транспирационного пара в почве. Ввиду возможной чрезвычайной важности этого фундаментального явления значительная часть материала приведена в приложении - для доказательности.
Цель и задачи исследований. Целью исследований было изучение особенностей влияния лесомелиорации как основы фитомелиораций на микроклимат поля, водную и ветровую эрозию почв, режим влажности почвогрунтов.
В программу и задачи исследований входило изучение:
лесомелиорации песчаных земель;
почвозащитной эффективности контурной организации территории с лесными полосами в условиях совместного проявления ветровой и водной эрозии почв;
особенностей режима влажности почвогрунтов под травянистыми и лесными ценозами, включая оценку вклада конденсации транспирационного и адвективного паров воды в почве; при выявлении этих особенностей возникла необходимость показать несоответствие осадкам потоков влаги в глубь почвогрунта, прежде всего, под продуктивным травянистым покровом и последующий глубинный подток влаги под лесные насаждения со стороны пашни;
агролесомелиоративных методов защиты почв от линейной эрозии в рамках сложившейся организации территории;
интегрального эффекта от фитомелиораций во времени.
Научная новизна работы. Состоит в следующем:
установлены особенности формирования микроклимата и дефляции
песчаных земель в системе лесных полос, влияние мульчирования;
показано влияние контурной организации территории с лесными полосами и чередованием устойчивых к стоку культур с неустойчивыми в формировании микроклимата поля, смыва и саморегулирующейся противо-эрозионной системы;
определены способы ликвидации линейной эрозии на пашне крутизной до 0,5, в сложившихся границах среди полезащитных лесных полос;
установлены особенности режима влажности почвогрунтов в связи с возможной значимостью конденсации водяного пара в почве;
установлен подток влаги под лесные полосы со стороны более увлажненной пашни;
интегральный эффект фитомелиораций установлен по воздействию на микроклимат, защиту от дефляции и пыльных бурь, формированию саморегулирующейся системы против стока при контурной организации территории, подъему грунтовых вод и миграции подвижных форм NPK, урожаю.
Защищаемые положения.
1. В равнинных засушливых условиях на песчаных землях система
умеренно ажурных лесных полос с межполосным расстоянием не более 15 Н
значительно снижает вредоносное действие дефляции и засухи; роль
мульчирования также значительна.
На склоновых землях контурная организация территории с размещением лесных полос в пределах дальности их действия на ветер и смыв, чередованием культур с низким коэффициентом эрозионной опасности с неустойчивыми формирует саморегулирующуюся и устойчивую систему против водной эрозии и дефляции.
Повышение эффективности сложившейся прямоугольной организации на склоновых землях от линейной эрозии возможно устройством, которое осуществляют регулированием концентрированного стока противоэрозионными гидротехническими сооружениями и ЗЛН, пересекающими горизонтали местности.
4. В системе ЗЛН под травостоями конденсация транспирационного и
адвективного паров воды в почве может составлять значительную часть
водного баланса, сравнимую с осадками.
5. Названный эффект фитомелиораций является интегральным по
воздействию на эрозию, дефляцию, защиту от пыльных бурь, водный режим
и уровень грунтовых вод, урожай.
Практическая ценность. Результаты НИР, выполненных автором, могут быть использованы при проектировании комплекса противоэрозионных мер, контурных лесных полос в условиях совместного действия ветровой и водной эрозии почв, для охраны водных ресурсов. Они также имеют фундаментальное значение.
Величина прибавки продукции от 1 га ЗЛН составляет 2,25-4,4 ц/га озимой пшеницы в разных зонах края, экономический эффект - не менее 10 тыс. руб/га в современных ценах. Общий экономический эффект от оставшихся ЗЛН на текущий момент составляет около 900 млн. руб ежегодно.
Апробация и публикации. Результаты исследований, изложенных в диссертационной работе, доложены на многих совещаниях и конференциях, в том числе международных, в частности: в Новочеркасске (НИМИ): 1970, 1971,1973, 1974, 1980; Ставрополе (аграрный университет): 1973,1996, 2002, 2005; в Сибирском филиале ВНИАЛМИ, 1989; Ворошиловграде, 1985; Волгодонске, 1993; Санкт-Петербурге (АФИ): 1995,1996; на всесоюзном совещании в г. Волновахе, УССР, 1980; Москве (МГУ), 1987; Белгороде, 1987; на заседаниях отделов и кафедр в г. Киеве, УкрНИГМИ, 1971, Москве, МГУ, 1996; Краснодаре, 1993; годичном собрании Отделения лесного хозяйства и защитного лесоразведения РАСХН в г. Пушкино, 1996; Волгограде во ВНИАЛМИ, 2000 и др. Практические предложения и выводы демонстрировались на краевых и районных семинарах специалистов сельскохозяйственного производства Ставрополья. Материалы диссертации опубликованы в 74 научных работах.
При работе над диссертацией автор руководствовался соответствующей литературой, постановлениями правительства и документами ВАК [14-16].
Исследования, включая инициативные, выполнены благодаря сотрудничеству, помощи, поддержке М.И. Долгилевича, В.МПенчукова, Л.Н. Петровой, Е.И. Рябова, Б.П. Гончарова, А.А. Федотова, В.М. Горяинова, М.Ф.Шабанова, А.Н.Силантьева, А.И.Кудрина, ЮМРакова и др. Особо надо отметить консультационную помощь АФИ (С. В. Нерпин, И. Б. Усков, А. М. Глобус и др.), а также поддержку и участие в исследованиях по влагометрии А.Н.Абалдова. Благодаря ему влагометрия (в динамике) и миграция подвижных форм NPK в засушливой зоне выполнена и установлена на глубину до 25 м. Колоссальный объем работы по сбору и обработке первичных материалов выполнены старшими лаборантами В.М. Варетовой и Т.М. Воробьевой. Значительную помощь в подготовке диссертации [271] оказали В.А. Ракова, Ю.И. Пронь, И.Н. и Л. А. Коротченко. Всем названным товарищам и коллегам автор выражает глубокую признательность.
Особенности воздействия лесных полос на скорость ветра и другие агроэкологические условия
Лесные полосы (ЛП) оказывают пространственное влияние на прилегающие к ним поля [23].
Наиболее полно изменения, связанные с уменьшением скорости ветра спрогнозировал Ю.П.Бяллович [24] еще в 1938 г.(37 пунктов). Большинство этих воздействий изучены. Они рассмотрены названным автором в ландшафте и сейчас чрезвычайно актуальны. Мы их приводим все. Названным автором приведены только хозяйственно полезные изменения. Числа в скобках показывают - благодаря какому изменению каких явлений изменилось данное. 1. Уменьшение скорости ветра. 2. Ослабление перемешивания приземного слоя воздуха с более верхними слоями (1). 3. Увеличение абсолютной и относительной влажности воздуха (2). 4. Уменьшение испарения с поверхности почвы (1,2, 3). 5. Снижение коэффициента транспирации (1, 2, 3, 15, 16, 25). 6. Уменьшение испарения снега (1), точнее сублимации. 7. Предохранение снега от сдувания (1). 8. Уменьшения скорости снеготаяния (1). 9. Повышение зимней температуры почвы (7). 10. Уменьшение глубины и продолжительности промерзания почвы (9). 11. Ослабление поверхностного стока (8, 10, 22). 12. Увеличение влажности почвы (4, 5, 6, 7, 11). 13. Ослабление проявлений засухи (5,12). 14. Усиление выщелачивания почвы и вхождения водорода в поглощающий комплекс (12). 15. Усиление эффективности удобрений (12,14). 16. Увеличение мобильности почвенных соединений (12,14). 17. Уменьшение механических повреждений растений ветром (сбивания листьев, цветов, плодов; изломов, искривлений, полегания и перепутыва-ния стеблей, ассиметрия крон и эксцентричность стебля (1). 18. Уменьшение опасности выдувания посевов (1, 7). 19. Увеличение связности почвы (12). 20.Уменьшение дефляции (образования черных бурь) (1, 7,19). 21. Уменьшение поверхностного смыва почвы (11, 19). 22. Сохранение почвой благоприятных физических и химических свойств. 23. Улучшение гидрологического режима рек (влияние за пределы данного ландшафта (11,21). 24. Понижение температуры воздуха летней ночью (2). 25. Увеличение относительной влажности воздуха летней ночью (24). 26. Уменьшение интенсивности дыхания (24,25). 27. Понижение температуры воздуха осенней ночью (2). 28. Усиление осенней закалки (27). 29. Улучшение условий опыления насекомыми (2). 30. Уменьшение опасности вымерзания посевов (6, 7, 9, 28). 31. Уменьшение опасности зимне-весенней засухи (1, 6, 7, 12). 32. Уменьшение скорости движения полевого пожара (1). 33. Увеличение урожаев (12,13,15,16,17,18,22,26, 29, 30, 31,32). 34. Улучшение качества урожая (натура зерна, размер плодов и т.д.) (12,13,15,16,17,18,22,26, 29, 30, 31, 32). 35. Уменьшение пыльности атмосферы (20). 36. Облегчения работы ручной и на сельскохозяйственных машинах, особенно, уборочных (1, 35).
Повышение производительности труда в сельском хозяйстве (33, 34,36), хотя в ограниченном пространстве может снижаться.
В цитируемой работе подробно показано также влияние лесных полос (ЛП) на засоренность прилегающих полей как пример регулируемого ландшафта по этому показателю. ЛП, снижая скорость ветра, влияют на сток, выполняют многофункциональную роль, улучшая микроклимат, уменьшая дефляцию, - способствуют закреплению песков, превращению неудобных земель в пригодные для многостороннего сельскохозяйственного использования [25-34] и многие другие. В Ногайской степи на песчаных землях установлено положительное влияние ЛП на урожай зерновых культур и трав [35, 36].
Прекращение пыльных бурь является важнейшей экологической и ландшафтнообразующей функцией системы ЛП [23,37 - 40] и др.
Наиболее равномерное снижение скорости ветра отмечается за безлиственными ЛП ажурной, продуваемой и ажурно продуваемой конструкций, что проявляется в соответствующем снегораспределении [41].
Против катастрофической ветровой эрозии - пыльных бурь наиболее желательны ЛП ажурной конструкции, вызывающие наименьшую турбулентность потока [42,43].
Аэродинамическая характеристика ЛП полос характеризуется, обычно, продуваемостью, ветропроницаемостью и ажурностью [42, 44-46]. В зависимости от угла подхода ветра к насаждению от 90 до 45 ветропрони-цаемость 3-рядных моделей ЛП разной ажурности уменьшается на 21-55% до 0-39%, а дальность действия сокращается в 1,3-1,7 раза [46]. В.П. Никитин [47] установил, что дальность действия 4-5-рядных ЛП при углах подхода ветра 55, 25 и 0составляет, соответственно, 30, 15 и 5 Н (Н - высота насаждения). Отсюда следует целесообразность создания насаждений из разного числа рядов в зависимости от средневзвешенного угла подхода ветра к ним ветра. Известна практика создания эффективных ЛП (кулис) из минимального числа рядов [48]: однорядных в США [49], в Канаде - из хвойных пород [50], из вяза перисто-ветвистого [51].
Однорядные кулисы (из вяза) на равнине действуют на снегоотложе-ние в пределах 24 Н. А традиционные водорегулирующие плотные ЛП с кустарником - лишь от 2 до 8 Н [52].
Более влажный тяжелый воздух удерживается в приземном слое у растений. Но турбулентным обменом его выносит от растений вверх. Обмен осуществляется за счет ветра и конвекции. ЛП уменьшают динамический турбулентный обмен, увеличивают влажность воздуха в приземном слое за заветренной опушкой, способствуя более продуктивному использованию растениями почвенной влаги [53-61]. По данным большинства исследователей в пределах эффективного воздействия ЛП (до 15Н за ажурными полосами [56]) отмечается увеличение относительной влажности на 3-4, иногда до 10%, абсолютной - на 1- 2,5 миллибара, обычно, над растительностью (Тумин и Слефогт в 1918-24 г.г, цит. по М.М. Лазареву [62]; а так же [44, 63-73] отмечают увеличение влажности воздуха за ЛП на 2-16%, иногда на 19%. По данным Н.М. Милосердова и В.Г. Антонюка [74] влажность воздуха на защищенных полях в засушливые годы превышала открытое поле на 7%, а дефицит влажности был меньше на 3,7 мб. В отдельные суховейные дни эта разница увеличивалась до 15% и 9,8 мб.
Оценка микроклимата при лесомелиорации песчаных земель и контурной организации территории, выдувания во время пыльных бурь
Наблюдения за скоростью ветра и другими элементами микроклимата, урожаем сельскохозяйственных культур проводили, преимущественно, по методикам ВНІІАЛМИ [273]; выдувание во время пыльных бурь изучали по методике М. И. Долгилевича [274].
При контурной организации в качестве ключевой выбрана ЛП 5 в средней части склона (рисунок 2). Изучали влияние на микроклимат ажурной и ажурно продуваемой ее вариантов вверх и вниз по склону. Первый вариант -в естественном состоянии. Второй - сформирован обрезкой боковых ветвей. Высоту деревьев в динамике измеряли набором штанг и эклиметром. Визуально оценивали состояние и поврежденность вредителями. На рабочих участках поля, примыкающих к ЛП 5, был кормовой севооборот: тритикале на зерно (1982 г.), кукуруза на силос(1983), озимый ячмень (1984), озимые травы на зеленый корм, потом кукуруза на силос (поукосно)-1985 г. Вследствие неравномерного снижения скорости ветра за ЛП особенностью экологических условий межлесополосного пространства является их территориальная неоднородность. В.В. Захаровым [262] выделены следующие зоны: 1. 0-10 Н с заветренной стороны ЛП ; 2. 10-25 - с этой же стороны; 3 - наветренная зона протяженностью, не превышающей 5-кратную высоту (Н) лесной полосы. При углах подхода ветра от 90 до 30 (у нас 32) дальность действия ЛП пропорциональна синусу угла [275] и 2-я зона эквивалентна, соответственно, 5-12,5 Н. Первая и третья зоны идентичны и эквивалентны 2,5-5 Н, их по 2 в каждом межлесополосном пространстве в связи с действием почти симметричных широтных ветров.
В связи со сказанным, Б. А. Доспехов [276] рекомендует наблюдения и учеты проводить отдельно по каждой зоне, то есть они равноценны вариантам или подвариантам. Открытый контурный участок К] (рисунок 2) расположен на востоке.
Температуру почвы измеряли по зонам влияния ЛП дистанционными приборами АМ-2М, ТЭТ-2 на глубинах 0, 2,5, 5,0, 10 и 25 см. Влажность и температуру воздуха измеряли психрометром Ассмана. Стратификацию приземного слоя воздуха определяли по Я.А. Смалько [275].
Оценка по влиянию ЛП на урожай сельскохозяйственных культур выполнена общепринятыми методами.
По высоте культур вблизи насаждений судили об отрицательном влиянии деревьев на сельскохозяйственные растения. Снижение урожая возможно от переуплотнения почвы, отенения, перегрева, из-за конкуренции между сельскохозяйственными и лесными растениями. Для преодоления отрицательного влияния древостоя и усиления положительного эффекта от лесной полосы залужали подкроновое пространство методами Д.С. Дзыбова [277].
Эффективность контурной организации территории с чередованием культур и ЛП на эрозию оценивали географическим методом: детальной съемкой всех промоин на экспериментальном водосборе в разные годы [278] после ливней: вдоль закраек ЛП и по оси их. Стокоударную устроенность ЛП и мелиоративную нагрузку определяли по К. Л. Холупяку [19]. Возможность эрозии и дефляции определяли по структурности и водопрочности почвы до и после внесения навоза. Устанавливали коэффициенты структурности и водопрочности по И.Б. Ревуту [279] среди контурных ЛП и вне их влияния.
Об изменении микрорельефа от смыва и аккумуляции наносов мы судили по повторным нивелировкам вдоль осей ЛП.
На основе методики Агрофизического института (рукопись) доработано определение поверхности деревьев в ЛП. В основе лесной таксации принято положение, что совокупность стволов в насаждении по диаметру на высоте груди (1,3 м) распределена по нормальной кривой Гаусса. Характер их распределения в однорядной ЛП по ступеням толщины, выраженным в десятых долях (от среднемодельного дерева, диаметр которого принят за единицу), отличается от распределения в сомкнутом насаждении (рисунок 7).
Распределение стволов березы по ступеням толщины (отношение фактического диаметра к среднему сіф/dcp): 1, 2 - соответственно в однорядном и сомкнутом насаждении по диаметру на высоте 1,3 м; 3 -в однорядном насаждении по диаметру у основания ствола
В условиях роста на свободе диаметр дерева на высоте 1,3 м нехарактерен для установления корреляции с объемом, высотой и т.д. Для этого его целесообразно юмерять на высоте, равной 1,5 диаметрам основания ствола [280]. В этом случае распределение по ступеням толщины в однорядной полосе такое же, как в сомкнутом насаждении по диаметру на высоте 1,3 м.
Поверхность стволов определяли обмером модельных деревьев по срединным сечениям [281], листьев - автоматическим планиметром АМ-7 (японского производства), удваивая величину поверхности одной стороны листа.
Наибольшие трудности возникли при измерении поверхности ветвей: их объем, поверхность и проекцию определяли по геометрическим формулам (таблица 6). Данные параметры в зависимости от длины ветвей описы Таблица 6 - Расчет параметров элементарных ветвей
Примечания - между параметрами уравнений подразумевается знак умножения; 1.1- длина ветвей; d - диаметр, удаленный от основания ствола на 1,5 его диаметра. 2. В скобках указаны номера формул ваются уравнениями конусов с прямолинейной поверхностью. Фактический объем определяли в цилиндрах методом вытеснения воды. Сходимость его с расчетным по элементарным ветвям - достаточно тесная (таблица 7) с ошибкой 0,01-0,03.
Если параметры ствола распределены нормально, то распределение элементарных ветвей по диаметру показало сильнейшее варьирование: коэффициент вариации ветвей березы составил 86% при п=705 и точности 3,3%.
Варьирование по поперечному сечению ветвей первого порядка достигает 150%. Распределение поверхности ветвей тоже не соответствует нормальному (рисунок 8). В частности, распределение боковой поверхности Таблица 7 - Сходимость расчетного и фактического объемов элементарных ветвей Порода Число ветвей Коэффициент корреляции Дуб красный 58 0,99 Береза бородавчатая 25 0,99 Береза пушистая 55 0,98 Ясень зеленый 71 0,99 Акация белая 20 1,00 Клен ясенелистный 100 0,99 Вяз шершавый 43 1,00 ветвей первого порядка со всеми ветвями других порядков в основном такое же, как и показанное на рисунке 8, что подтверждается корреляцией боковой поверхности с поперечным сечением: коэффициент корреляции - 0,95 ± 0,07.
Погодные условия за годы проведения исследований
Во время исследований осадки в Ачикулакской НИЛОС мало отличались от нормы. Изучение микроклимата среди контурных ЛП проходило при метеоусловиях, незначительно отличающихся от нормы. Важные их особенности показаны при изложении соответствующего материала в главах 4 и 6 и в таблицеП 1.2.
Общая метеорологическая характеристика предшествующего периода и периода прохождения пыльных бурь 1969 г.
Осень 1968 г. была хотя теплой и продолжительной, но сухой. Большинство озимых нормально не развились и в зиму ушли, имея 2-3 листочка. Запасы продуктивной влаги в верхнем 20-см слое почвы в конце ноября колебались от 11 до 40 мм по зонам края. Выпавшие в декабре осадки в количест ве 12-48 мм увлажнили верхний слой до оптимального значения на большей части территории края. С января 1969 г. началось вторжение мощных холодных масс воздуха с востока, связанное с большими барическими градиентами между сближенными осями Азиатского антициклона и Черноморского циклона. Перемещение воздушных масс с перерывами продолжалось и в феврале. В январе и феврале максимальная скорость ветра достигала 34, а во время порывов до 40 м/с. Среднемесячная температура воздуха была ниже на 3-4, а минимальная доходила до -29,7. В большинстве районов в эти месяцы выпало мало снега - 28-50 мм. Много снега выпало в восточных, юго-восточных и предгорных районах - 50-100 мм (Благодарное, Ачикулак, Ново-Пятигорск), который несколько уменьшил гибель посевов от вымерзания.
Средние максимальные скорости ветра в период пыльных бурь зимой /январь-февраль/ 1969 года в Ставропольском крав: I Г от I до 3 м/сек, Р- = 1 от 3,1 до 6 м/сек, ПТПТр от 6,1 до 9 м/сек, ШЩ от 9,1 до 12 м/сек, ДД 12 м/сек Как будет показано ниже, гибель озимых во время пыльных бурь 1969 г. колебалась по районам края от 2,3 (Георгиевский) до 83,9% (Красногвардейский район) и зависела, прежде всего, от среднемаксимальных скоростей ветра (рисунок 15), а не от числа пыльных бурь. Ведущим фактором (но не всегда окончательным) возникновения ветровой эрозии в виде пыльных бурь является ветер. В таблице П 2.1. приложения приводится число дней с сильным ветром по метеостанциям в период пыльных бурь 1969 г. (числитель). В знаменателе дано максимаьное число дней с сильным ветром согласно Справочнику по климату СССР [311]. Максимально возможное число дней с сильным ветром многократно превосходит по большинству станций повторяемость, отмеченную в 1969 г., что весьма актуально для современного периода. Лишь на некоторых метеостанциях в зимние месяцы число дней с сильным ветром было близко к максимальному или превосходило на 1-2 дня эту величину (Невинномысск, Благодарное).
Коэффициент корреляции (R) числа дней с сильным ветром с процентом гибели озимых (таблица П. 2.2 приложения) равен 0,61± 0,19.
Более тесная связь отмечается между средней максимальной скоростью ветра за период (табл. П 2.3 приложения) с пыльными бурями с гибелью озимых; R = 0,69±13 и говорит о наличии существенной связи между этими показателями. Поскольку наибольшие скорости ветра отмечались зимой, то, естественно, ожидать, что и вред, причиненный ветром зимой - максимален. Это предположение подтверждается R, вычисленным между гибелью озимых и средней максимальной скоростью за январь и февраль месяцы: R = 0,78 ± 0,1.
Факт лучшей корреляции поврежденности посевов со средней скоростью, чем с числом дней с ветром 15 м/с и более говорит о том, что вредоносными являются ветры не только с 15 м/с, но и меньше.
Посевы озимых зимой 1969 г. значительно пострадали от воздействия низких температур до -15-16 на глубине залегания узла кущения (вымерзание). Однако не на всех метеостанциях фиксировалась эта температура. С дру гой стороны, снежный покров хорошо защищает озимые от охлаждения, и, очевидно, чем он мощнее, тем вероятность вымерзания озимых меньше. R между гибелью озимых и средней глубиной снега за январь и февраль месяцы подтверждает это, составляя -0,68±0,13.
Сравнительно мощный снежный покров положительно сказался на сохранности озимых большинства восточных районов.
Совместное влияние средней максимальной скорости ветра и средней глубины снежного покрова описывается уравнением регрессии: у = 7,9 х - 0,93 z-18,8 (37), где: у - гибель озимых в %, х - среднемаксимальная скорость в м/с за январь - февраль месяцы; z - толщина снежного покрова в см. Среднее отклонение значений у, рассчитанное по формуле 37 от эмпирических величин составляет 12,1%. Связь гибели озимых со среднемаксимальной скоростью описывается уравнением: у = 10,2 х-48,6 (38) Среднее отклонение по этой формуле равно 13,4%. А уравнение регрес сии связи гибели озимых с толщиной снежного покрова имеет вид у = -1,86 z + 58,6 (39)
Среднее отклонение -15,5%. Гибель озимых, рассчитанная по совместному воздействию ветра и снежного покрова, ближе к фактической, чем рассчитанная отдельно по скорости ветра и снегу. Однако из сопоставления величин отклонений видно, что фактор ветра является ведущим.
Влияние лесных полос на снегораспределение
Во время наблюдений весной воздействия ЛП на минимальную температуру поверхности почвы (в 6 часов утра) скорость перпендикулярного ей ветра на флюгере была 2,4 м/сек (3,2), за максимальной - 7 м/сек (6,3). Летом, соответственно, - 2,8 (2,9) и 4,2 (5,3 м/сек). В скобках показана среднемного-летняя скорость ветра в 7 и 13 часов за месяц, из сопоставления с которой можно сделать вывод о репрезентативности проведенных наблюдений.
Наиболее контрастно влияние ЛП на температуру обнаженной почвы. Максимальная температура не защищенной растительностью поверхности почвы при антициклональном типе погоды за полосами всех конструкций весной и летом выше на 1-7. Наибольшее увеличение отмечено за плотными полосами. В отдельных случаях (не приведенных в таблице 18) разница достигает 10: в открытом поле мы отмечали температуру 61,5, а за полосой 71,5 в зоне 0-2 Н. В системе ЛП отмечено уменьшение указанной разности до 0-4.
Если поверхность почвы увлажнена или направление ветра близко к параллельному ЛП, то максимальная температура поверхности почвы близка с контролем.
Минимальная температура поверхности почвы за плотными полосами ниже на 1-3, за ажурными - на 0-0,5, за продуваемыми - близка с контролем или выше на 0,5. Вероятность радиационных заморозков весной на поверхности почвы за плотными полосами увеличивается. Летом 1969 года минимальная температура поверхности почвы за плотными ЛП была ниже на 0,5-1. Весной температура поверхности почвы испытывает особенно значительные суточные колебания: на контроле до 35,5, в системе за полосами через 12-13Н до 50. За ажурными и продуваемыми полосами амплитуда меньше, чем за плотными.
Минимальная температура почвы на глубине 5 см весной за плотными полосами - ниже на 0,5-1,5, за ажурными - температура несущественно отличается от контроля, за продуваемыми - на 0,5 выше (таблица 18).
Максимальная температура почвы весной на глубине 5 см за полосами была выше на 0,5-1,5 или близка к контрольной в открытом поле. Наибольшее увеличение температуры отмечено в пункте 10 Н на 2-м межполосном пространстве или в пункте З Н на запад от второй полосы.
Закономерность распределения летних минимальных температур на глубине 5 см та же, что и весной. Максимальная температура почвы летом на глубине 5 см за плотными и ажурными полосами или такая же, или выше до 2,5. В системе плотных и за продуваемыми ЛП разница с контролем стремится к нулю.
Утренняя и вечерняя температуры почвы на глубине 30 см летом 1969 года за плотными полосами была ниже на 0,5-1, за продуваемыми и ажурными - близка к контролю. Характерно, что температура на 30-сантиметровой глубине летом 1969 года утром и вечером была почти одинаковой. Наблюдения за температурой на глубине 30 см в 1966-1968 годах показали, что, обычно, за плотными и умеренно ажурными полосами она выше на 0,5-2, чем в открытом поле.
Для поиска путей снижения нагрева почвы, уменьшения физического испарения, удобрения и других эффектов применялось мульчирование соломой, хмызом.
Наибольшие градиенты отмечаются летом в дневное время, если почва лишена растительного покрова - до 56 - от поверхности почвы до глубины 4-25 м (по обобщенным данным, то же и на Прикумской опытно-селекционной станции). Мульчирование является мощным средством снижения градиента - у нас в слое 0-4 м от 14 до 6, то есть более, чем вдвое на 4-метровом интервале (таблица 19).
Такое уменьшение градиента температур отмечено при очень сильном мульчировании (до 40 т/га хмыза). В этом случае воздействие мульчирования на накопление влаги осадков было уникальным. Оно было почти 100-процентным к осадкам. Под мульчей накопилось 84±10 мм при осадках между бурениями 86 мм. На контроле запасы влаги тоже практически не изменились: -9±9 мм. Это, похоже, связано и с конденсацией водяного пара в почвогрунте, ведь значительное количество влаги уходило на смачивание мульчи.
Сильнее всего сокращает температурный градиент совместное действие мульчирования и сомкнутого травянистого ценоза (12.04.72): только травостой уменьшал градиент температур до 13 в интервале глубин от 0 до 4 м (таблица 20).